页岩气超长水平井预控水泥环封固失效水泥浆技术

2022-10-13郝海洋刘俊君何吉标王建斌张家瑞

天然气勘探与开发 2022年3期

郝海洋刘俊君何吉标王建斌彭博张家瑞

1.中石化江汉石油工程有限公司页岩气开采技术服务公司 2.贵州大学资源与环境工程学院 3.中石化江汉石油工程有限公司钻井一公司

0 引言

国内外页岩气勘探开发普遍采用“水平井+分段压裂”技术，以达到增大储层利用率、提高页岩气产量的目的。随着钻完井技术的快速发展，超长水平井[1]和密切割技术[2]已取得突破。而涪陵页岩气田面临压裂后环空带压率上升的难题，技术套管带压率从压裂前的15.84%提升至压裂后的53.01%[3]。研究表明，大型分段水力压裂对水泥环密封完整性造成破坏[3-8]，包括界面脱粘和水泥石本体破坏[9]。而水泥环密封完整性对保持油气井生命周期内的层间封隔至关重要。针对水泥环封固系统密封失效的问题，国内外研究集中在水泥环力学强度失效、水泥环界面密封失效等方面[3,7,10-16]。刘硕琼等[17]详细研究了水力压裂时套管在加载和卸载条件下水泥环的受力状态和界面受力情况，揭示了卸载阶段容易在界面处形成微环隙；林元华等[18]通过实验研究了强交变热载荷对水泥环封固系统的影响，发现水泥环与套管间的剪切力、轴向与径向结合强度等界面力学性能指标均随交变温度增加而降低；刘奎等[19]以弹性力学为基础，推导了各界面的径向应力计算方程，并讨论了套管内压、温度、地应力等因素对水泥环封隔能力的影响规律。陶谦[20]利用全尺寸Ø139.7 mm生产套管，开展了物理模拟试验研究，发现水泥环体积收缩是影响水泥环密封性能的重要因素之一，温度和压力变化产生的残余应变累积，将导致水泥石胶结界面劣化，影响水泥环长期密封能力。上述研究表明，外载力会使得水泥环发生塑性形变，从而造成界面分离，产生微环隙，增加界面处窜流通道而形成风险。

近年来，随着弹韧性水泥浆技术的快速发展，降低水泥环在循环载荷下的塑性变形已成为关键研究点，即预防和控制水泥环微环隙的大小。而超长水平井需进行多段的水力压裂施工，对水平段水泥环在多次循环载荷下的抗压能力和低塑性形变能力提出了更高的要求。基于此，笔者研发了一种高性能无机纤维增韧剂Super flex，并构建了满足页岩气井现场应用需要的水泥浆体系，着重评价了水泥石的韧性及其在模拟多级水力压裂条件下的抗循环载荷性能，并通过实例评价了水泥浆技术的应用效果。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 增韧剂设计原理

为了克服常规有机纤维材料与水泥基体的无机硅酸盐间无法形成化学胶结力的缺点，本研究提出的Super flex增韧剂选用了无机矿物纤维作为主要纤维材料，以增加其与硅酸盐基体间的结合强度，强化裂缝尖端桥连作用，设计原理如图1所示。

图1 Super flex增韧剂增韧设计原理图

同时，基于岩石破坏全过程分析，通过添加塑性剂材料，弱化水化硅酸钙的脆性作用，增强微裂缝尖端弹塑性，阻断微裂纹扩展，从而有效预防和控制水泥石脆性发展，提升水泥石抗循环载荷能力，保证水泥环在大型水力压裂时的力学完整性。

1.1.2 水泥浆配方

嘉华G级油井水泥 + 1.5%～2.5%降滤失剂 +0.5%～1.0%膨胀剂 + 0.5%～1.0%增强剂 + 0.5%～1.5%防气窜剂 + 0.5%～2.0% Super flex增韧剂+ 1.5%～2.5%塑性剂 + 0.4%～0.8%减阻剂 +44.0%～46.0%自来水 + 0.1%消泡剂 + 缓凝剂。

1.2 实验方法

根据国家标准GB/T 19139《油井水泥试验方法》及行业标准NB/T 14004.2—2016《页岩气固井工程第2部分：水泥浆技术要求和评价方法》标准进行水泥浆的流变性、沉降稳定性、滤失性、稠化实验等性能测试。水泥石的养护条件为70℃、90℃常压水浴养护，48 h后进行水泥石的抗压强度测试。

三轴抗压强度和抗循环载荷测试采用高温高压岩石流变仪（TAR-1500）进行测试，围压10 MPa，加载速率200 N/s。

2 抗循环载荷弹韧防气窜水泥浆体系性能

2.1 水泥浆性能

2.1.1 流变性

研究表明，无机纤维在改善水泥石力学性能方面有较好的效果[21-22]。图2和图3给出抗循环载荷弹韧防气窜水泥浆体系在宾汉模式、幂律模式和赫巴模式下的拟合曲线。如图2所示，室温下，该体系水泥浆均呈现出了较好的拟合度，尤其符合幂律模式和赫巴模式，流性指数（n）为0.522～0.472，稠度系数（K）为0.867～0.882。如图3所示，90℃时，尤其满足幂律模式，流性指数（n）为0.625～0.622，稠度系数（K）为0.790～0.791。由此可见，抗循环载荷弹韧防气窜水泥浆体系的流变性较好，能够满足现场施工的泵压及排量要求。

图3 抗循环载荷弹韧防气窜水泥浆体系90℃流变拟合曲线图

2.1.2 沉降稳定性

为了评价该浆体的沉降稳定性，将配置好的浆体倒入250 mL量筒中，然后密封量筒口，置于90℃的常压水浴中，2 h后测定浆体的上中下密度差。经过测量，该体系的实验结果为：上中下的密度均为1.88 g/cm3。表明水泥浆的沉降稳定性较好，没有出现沉降现象，且浆体上面没有析出自由水，能够保证水平段井筒上部水泥浆（石）充满井眼，有助于提高水泥环密封完整性。

2.1.3 滤失性

经高温高压滤失实验测试，抗循环载荷弹韧防气窜水泥浆体系在1.5%、2.0%、2.5%的降失水剂加量下，滤失量分别为56 mL、42 mL、36 mL，推荐降失水剂的加量为2.0%～2.5%。

2.1.4 稠化可控特性

固井水泥浆稳定的稠化时间是固井安全施工的有效保证，需要根据具体的固井施工作业时间来合理地调节控制水泥浆的稠化时间和稠化过渡时间。一般而言，通过加入缓凝剂来调节水泥浆的稠化时间，保证固井施工安全。

室内对缓凝剂加量变化进行了评价，以研究该体系的稠化时间可控性。实验条件为温度90℃、压力56 MPa，实验结果如表1所示。

表1 缓凝剂加量对水泥浆性能影响的评价实验数据表

由表1可知，随着缓凝剂加量的增加，水泥浆稠化时间缓慢延长，其稠化时间可调，稠化过渡时间均能控制在12 min以内，稠化性能好。并且缓凝剂加量与稠化时间具有良好的线性相关，说明该体系的稠化时间可控性较好，可根据实际技术需求来添加缓凝剂。

2.2 水泥石力学性能评价

页岩气水平井产层固井水泥环不仅承载着套管的重量，还承担着封固套管和地层环空的重要作用。这就要求水泥石具有一定的弹韧性和抗压强度。为此，对构建的抗循环载荷弹韧防气窜水泥浆体系，从力学性能方面评价该体系水泥石的常规力学性能和抗循环载荷能力。

2.2.1 抗压强度

对该水泥浆体系固化后的水泥石进行抗压强度测试。分别在70℃、90℃的温度及常压条件下，对该水泥浆体系进行不同时间的水浴养护，并测试水泥石的抗压强度，测试结果如图4所示。从图4中可以看出，随着养护时间增加，水泥石的抗压强度逐渐增大。并且水泥石在90℃条件下的抗压强度大于70℃时，说明随着温度的增加，水泥水化速度加快，水化产生的水化硅酸钙产物聚集、交联，形成致密水泥石的过程加快，宏观上水泥石的强度较大。

图4 水泥石抗压强度测试结果图

通过观察抗压强度测试前后的水泥石样品（图5），可以发现达到极限承载力的水泥石遭到了破坏（白色小箭头所示处），然而并没有显著的上下贯穿裂缝和剪切面出现，水泥石依然保持完整性，说明纤维材料起到了阻止裂纹连通、抵抗破裂面形成的作用。

图5 抗压强度测试前后水泥石的破坏程度对比图

2.2.2 抗拉强度

采用巴西劈裂方法测试了水泥石的抗拉强度。90℃常压水浴养护72 h条件下，不添加增韧剂时，水泥石抗拉强度为3.25 MPa；添加增韧剂后，不同加量下的水泥石抗拉强度分别为4.97 MPa（增韧剂加量1.5%）、5.63 MPa（增韧剂加量2.5%）。可见添加增韧剂后的水泥石抗拉强度有显著提升。据报道，涪陵工区90 MPa压裂施工时，水泥环所受的周向拉应力约为3.562 MPa[23]。由此可知，增韧剂可有效避免水泥环开裂，保证其力学完整。图6给出了巴西劈裂测试后样品图片，当水泥石中不含以无机纤维为主的增韧剂时，水泥石受压后开裂破坏严重，有许多纵向次生裂缝形成；添加增韧剂后，水泥石韧性增强，沿中心线径向劈裂成半圆，且能够保持完整；裂缝两端有纤维将水泥石连接在一起，裂缝并未完全贯穿样品。由此推测，纤维的加入阻碍了裂缝的发展，并在裂缝尖端处形成一定的弹塑区域。纤维自身断裂强度越高、与基底材料间的胶结力越强，阻碍裂缝延展的效果越好。

图6 巴西劈裂抗拉强度测试后样品图片

2.2.3 三轴抗压强度与弹性模量

不含增韧剂、添加1%增韧剂，这两种情况下水泥石的三轴应力—应变对比曲线如图7所示。基于岩石受力的全过程分析，偏应力在0～10 MPa时，水泥石中固有微裂隙的在围压及外载力的作用下，逐渐闭合，水泥石初始弹性结构改变，逐步压实。随后水泥石进入近似于弹性变形阶段。之后水泥石损伤累积并达到水泥石的极限荷载强度，水泥石本体内裂纹逐渐聚集并形成宏观裂隙，水泥石发生剪切、拉伸或者延性破坏。由图7可得，添加增韧剂后，应力—应变曲线出现延性特征，弹性模量降低，然而强度出现了一定程度削弱（由83.62 MPa降低为57.54 MPa）。因此，页岩气水平段水泥石不应过分追求低弹性模量的特性，还应考虑水泥石的抗压强度以及恢复形变的能力[24]。如是，研究水泥石在循环载荷下的塑性形变量显得尤为有意义。

图7 水泥石的三轴应力—应变曲线图

2.2.4 抗循环载荷性能

选取围压10 MPa时水泥石极限抗压强度的52%（30 MPa）和70%（40 MPa）作为最大加载应力，来研究其抗循环载荷能力。图8为水泥石在70次循环载荷下的受力回滞曲线。从图8中可以看出，随着循环加载次数的增加，应力回滞曲线逐渐变得致密，说明水泥石逐渐被压实，每次加载下的累积形变量逐渐减小。此外，相同加载次数时，最大加载应力越大，水泥石的形变量越大。

图8 水泥石受力回滞曲线图

图9统计了水泥石在前30次循环载荷下的轴向应变，随着加载次数的增加，轴向应变逐渐增大，但增大的幅度逐渐减小。当循环区间为5～30 MPa时，循环加载30次，添加增韧剂的水泥石轴向应变为0.521%，而作为对比样的抗高交变载荷水泥浆体系在循环加载30次时，轴向形变量为0.711%[23]，显然添加增韧剂的水泥石其轴向应变量小；此外，当循环次数为70次时，添加增韧剂的水泥石其轴向应变为0.585%。

图9 循环载荷作用下水泥石塑性形变图

为了研究高应力条件下，水泥石的抗循环加载能力，将循环区间设定为5～40 MPa。此时，循环加载30次，添加增韧剂的水泥石其轴向应变为0.685%（图9）；此外，循环加载70次时，轴向应变量为0.766%。

分析了5～30 MPa加/卸载受力回滞曲线的近直线部分斜率，获得了水泥石在加卸载时的的弹性模量变化情况，如图10a所示。初次加载后，水泥石的加载时弹性模量出现了突增，随后加载时弹性模量逐渐变大，并在加卸载25次后趋于稳定（图10b）；而卸载时的弹性模量出现了一定程度的衰减，加卸载25次后趋于稳定；加载70次后并未出现加卸载弹性模量明显衰减的现象，说明水泥石力学性能稳定，内部并未出现大量微裂纹沟通串联的损伤。初次加载后，水泥石中水化硅酸钙间的固有微孔隙闭合，水泥石变得更加致密，弹性增强，水泥石恢复形变能力增强。

图10 水泥石在5～30 MPa循环区间内加载/卸载时的弹性模量变化图

由此可知，在相同地层应力和水力压裂条件下，分段压裂次数越多，水泥石的塑性形变越大，而Super flex增韧剂可以降低水泥石的塑性形变，有助于维持水泥环在交变应力下的水泥石力学完整性，降低水泥石的塑性形变，减小微环隙尺寸，从而提升水泥环密封完整性。

2.3 抗循环载荷弹韧防气窜水泥浆体系防窜性能评价

2.3.1 稠化过渡时间

由表1可知，抗循环载荷弹韧防气窜水泥浆体系随着缓凝剂加量增大，稠化时间延长，证明该水泥浆体系具有良好的稠化时间可调性；根据缓凝剂加量和稠化时间的拟合直线，说明在满足施工安全的前提下，该体系的稠化时间可以根据实际需要进行控制。且不同缓凝剂加量下的过渡时间均小于12 min，说明该体系水泥浆在发生胶凝到“失重”阶段具有较好的防气窜性能。

2.3.2 渗透率

为有效评价抗循环载荷弹韧防气窜水泥浆体系水泥石对井筒环空的密封能力，测试水泥石本体的气体渗透率。采用PDP-200页岩物性测定仪，通过压力脉冲衰减法来测试水泥石的渗透率。

页岩气井岩心渗透率为0.032 3 mD，抗循环载荷弹韧防气窜水泥石渗透率为0.001 1 mD，比页岩岩心渗透率降低了1个数量级，比抗高交变载荷水泥石（0.002 5 mD）低50%，可以阻挡地层气体通过渗透水泥环本体向上部运移造成套管环空窜流，具有很好的水泥本体密封效果。

3 抗循环载荷弹韧防气窜水泥浆体系现场适用性评价

现场调试小样配方时，Super flex增韧剂加量在0.5%～2.0%，瓦楞搅拌器低转速（4 000转/分钟）时，正常下灰时间在21～28 s，且浆体流变性较好。实际应用中，为了保证施工安全，还应评价浆体的温度和密度敏感性。

3.1 温度发散

抗循环载荷弹韧防气窜水泥浆体系温度发散评价实验使用基础配方，未加缓凝剂，实验数据如表2所示。

表2 抗循环载荷弹韧防气窜水泥浆体系温度发散评价实验数据表

由上述温度发散实验数据可知，抗循环载荷弹韧防气窜水泥浆体系在温度相差5℃的情况，稠化时间间距小于25 min，证明该水泥浆体系对温度的敏感性较小。

3.2 密度发散

抗循环载荷弹韧防气窜水泥浆体系密度发散评价实验结合现场实际进行，现场注水泥浆时，同等干灰质量下，密度高液固比小，密度低时液固比大，正常密度点干灰总重860 g用配浆水量371 g，密度发散实验数据如表3所示。

表3 抗循环载荷弹韧防气窜水泥浆体系密度发散评价实验数据表

由密度发散实验数据可知，抗循环载荷弹韧防气窜水泥浆体系在密度相差0.03 g/cm3的情况下，稠化时间间距小于30 min，证明该水泥浆体系对密度的敏感性较小。

综上所述，抗循环载荷弹韧防气窜水泥浆体系具有优异的流变、抗压强度、抗拉强度性能，同时稠化时间可控、防气窜、抗疲劳损伤，可在水泥环承受分段压裂循环载荷作用下，保障井筒水泥环对环空的长效密封完整性。

4 现场应用

HYXHF井位于四川盆地东部高陡褶皱带石柱复向斜建南构造，水平段长2 718 m，属于超长水平井。该井产层水平段油基钻井液密度1.54 g/cm3，固井施工中注入1.56 g/cm3驱油清洗液40 m3，1.58 g/cm3领浆39 m3，1.88 g/cm3尾浆110 m3，顶替液68 m3，碰压36 MPa上升至41 MPa。该井尾浆采用了抗循环载荷弹韧防气窜水泥浆体系。根据固井质量测井声幅结果，分析了固井一界面的胶结质量，水平段：“优质”段长2 473 m，“良好”段长200 m，“差”段长35 m。即水平段的优质率91.0%，良好率7.4%。分段压裂后，技术套管环空不带压，显示了较好的工程应用效果。